Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

кафедра физики металлов и новых материалов

Реферат

По теме: Контактные сплавы на основе вольфрама, меди и серебра

Выполнила ст.гр.МОФ-07

Скачкова А.А.

Проверил:

к.т.н., доцент Прудников А.Н.

Новокузнецк,2012

Содержание

Введение              3

1 Медные контактные сплавы              4

2 Контактные сплавы на основе серебра              10

3 Вольфрамовые контактные сплавы              15

Заключение              17

Список использованный литературы:              18

Введение

Электрические контакты, применяемые в различных электрических установках, аппаратах и машинах, различаются конструкцией, условиями эксплуатации, величиной износа.

К неподвижным контактам относятся разного рода зажимы, предназначенные для неподвижного соединения проводников. Неподвижные контакты соединяют различные проводники механически (зажимные контакты) или путем пайки или сварки соединяемых проводников (цельнометаллические контакты).

Контакты, служащие для периодического замыкания и размыкания электрических цепей, применяют в контакторах и реле. Эти контакты классифицируют на мало – средне – и высоконагруженные.

К скользящим контактам относятся подвижные контакты, в которых контактирующие части скользят одни относительно других без отрыва.

Зажимные контакты должны иметь: низкое удельное электросопротивление материала, из которого изготовлен контакт, низкое контактное сопротивление, зависящее от механических свойств материала, одинаковые коэффициенты теплового расширения материала контакта и проводника, способность противостоять атмосферной коррозии. В качестве материала для зажимных контактов применяют медь и различные сплавы на базе меди, алюминий, цинк и его сплавы, а также сталь (НВ до 150). Медь и сплавы на базе меди являются хорошими контактными материалами, но имеют повышенную окисляемость на воздухе.

Для изготовления неподвижных контактов применяют также материалы, имеющие высокую твердость (латунь, бронза и сталь). Для обеспечения низкого сопротивления контакта поверхности контактов покрывают оловом (для медных и латунных контактов) и оловом или кадмием (для железных и бронзовых контактов).

К цельнометаллическим контактам относятся соединения проводников, осуществленные пайкой или сваркой. Особенностью этих контактов является то, что они не имеют границы, разделяющей оба проводника.

1 Медные контактные сплавы

Поиск состава медного сплава для изготовления контактного провода — непростая задача, так как необходимо учитывать многочисленные, иногда противоречивые требования, предъявляемые к нему. Контактный провод испытывает воздействие колебаний температуры воздуха, влажности окружающей среды. В таких условиях невозможно обеспечить постоянство подачи смазки в зону контакта провода с токосъемным элементом, чтобы снизить их износ. Это означает, что материал контактного провода должен обладать достаточно высокой износостойкостью в условиях сухого трения. Помимо этого, необходимо, чтобы вводимые легирующие элементы повышали сопротивляемость меди разупрочнению при нагреве и при этом незначительно снижали электропроводность.

Всем комплексом свойств идеального материала контактного провода не обладает ни один металл и ни один сплав, поэтому при выборе материала провода приходится неизбежно принимать различные компромиссные решения.

Типы проводов и условия применения указаны в таблице 1 [1]

Таблица 1 – Типы медных контактных проводов

Марка провода, количество легирующих элементов и примеси должны соответствовать по данным таблицы 2. [1]

Таблица 2 – Марки медных контактных проводов

Составы сплавов в системе Cu-Mg выбирали в основном исходя из требований эксплуатации в отношении снижения электрических потерь при гарантии сохранения прочности проводов в случае теплового воздействия, а также достижения достаточно высокого уровня прочности и износостойкости. При этом допускается содержание магния в пределах 0,04 – 0,08 %.

На рисунке 1 представлены изменения прочности проволок из меди и сплава Cu-0,08 % Mg с различной степенью деформации после длительного нагрева. При обработке давлением со степенью деформации 89 и 75 % медь интенсивно разупрочняется, а сплав Cu-0,08 % Mg не претерпевает никаких изменений (рисунок 1, а и б). Этот сплав мало разупрочняется и при нагреве до 250 °C, разупрочнение происходит только у проволок со степенью деформации 99,5 % (рисунок 1, в).

Если необходимо обеспечить высокие прочность, износостойкость и термостойкость при сохранении рентабельности использования проводов с достаточно низкой электропроводностью, медь может содержать 0,25 – 0,34 % магния. Только в крайних случаях, когда требуется очень высокая прочность проводов, содержание магния повышается до 0,7 %.

Рисунок 1 – Изменение временного сопротивления растяжению проводов из меди (а) и сплава Cu -0,08 % Mg (б и в) в зависимости от степени деформации и времени выдержки при температуре 150 °C (а и б) и 250 °C (в) [2]

Технологичность медных сплавов

Сплавы медь — магний

Опыт изготовления медных низколегированных контактных проводов, содержащих 0,04 – 0,06 % магния, и бронзовых контактных проводов с присадкой 0,24 – 0,34 % магния выявил сложности, возникающие при получении медной легированной катанки на установках непрерывного литья и прокатки с роторным кристаллизатором. Технологические осложнения связаны с зашлаковыванием литейной системы установки из-за гораздо большего сродства магния к кислороду, чем меди, что приводит к засорению разливочных трубок и прекращению поступления металла в кристаллизатор. Другое серьезное препятствие, затрудняющее изготовление медной легированной катанки, — образование так называемых горячих трещин на литой заготовке, снимаемой с роторного кристаллизатора.

Если у медных сплавов с незначительным содержанием легирующих элементов в равновесных условиях фиксируются малые интервалы кристаллизации, то при непрерывном литье в роторный кристаллизатор из-за быстрого охлаждения формирование слитка происходит при неравновесных условиях и интервал кристаллизации увеличивается до 100 °C и более. Вероятность образования трещин при кристаллизации повышается, поскольку увеличиваются температурный интервал от момента образования кристаллического каркаса до полного затвердения (до температуры солидуса) и время нахождения сплава в твердожидком состоянии. Прочность же сплава в этом состоянии определяется наличием жидкой фазы по границам зерен. В сплавах системы Cu-Mg наибольший эффективный интервал кристаллизации наблюдается при содержании 0,1 % магния, что соответствует наименьшей растворимости его в меди при эвтектической температуре в неравновесных условиях кристаллизации. Согласно этому при содержании в меди 0,04 – 0,08 % и 0,25 % магния ожидается образование горячих трещин, что и было подтверждено экспериментами и практикой. Горячие трещины не позволяют вести непрерывный процесс литья и прокатки и получить из магниевой бронзы контактный провод надлежащего качества.

Опытно-промышленные партии низколегированных контактных проводов с присадкой магния 0,04 – 0,06 %, изготовленные из катанки на установке непрерывного литья и прокатки, показали, что временное сопротивление растяжению у них достигает 39,8 кгс/мм2 при относительном удлинении 3,5 %. По сопротивляемости разупрочнению при нагреве контактные провода марки НлМг 0,05Ф намного превосходят медные.

Как показал опыт изготовления длинномерной заготовки для провода из меди, легированной магнием, способ непрерывного литья с вытяжкой литой заготовки из расплава вполне пригоден для промышленного изготовления медных легированных контактных проводов. После волочения литой заготовки массой 1,5 – 2 т на пруток, а затем на контактный провод прочность провода при содержании 0,6 – 0,7 % магния повышается до 53 кгс/мм2 при относительном удлинении 3,5 %. Удельное электросопротивление такого провода составляет 0,028 Ом·мм2/м. Сопротивление его разупрочнению после нагрева до температуры 300 °C в течение 1 ч оставалось высоким; 43,5 кгс/мм2. Эта технология позволяет избежать засорения кристаллизаторов и появления горячих трещин на литой заготовке.

Анализ результатов эксплуатационных испытаний контактных проводов (массой 200 т) из магниевой бронзы, содержащей 0,24 – 0,34 % магния, показал, что их износостойкость в 2 раза выше, чем медного провода.

Сплавы медь — олово, медь — серебро

Наиболее технологичными в условиях непрерывного литья и прокатки оказались медные сплавы с присадкой олова и серебра. Олово более сильно влияет на электропроводность меди, чем магний. В связи с этим в меди контактных проводов, относящихся к низколегированным, содержится не более 0,08 % олова. Применение проводов из оловянных бронз неоправданно из-за их высокого электросопротивления. При изготовлении медной, легированной оловом катанки литейная система установки непрерывного литья и прокатки не зашлаковывается, на литой заготовке, сходящей с роторного кристаллизатора, горячие трещины практически не образуются.

Низколегированные контактные провода с присадкой олова превосходят по прочностным свойствам медные. Временное сопротивление растяжению у них не ниже 38,5 кгс/мм2. Длительная эксплуатация бесстыковых низколегированных контактных проводов с оловом показала, что их износостойкость на 25 – 40 % выше, чем медных.

Сплавы медь — железо — фосфор

Однако стоимость олова велика, прочностные характеристики низколегированных проводов с такой присадкой и термостойкость сравнительно невысокие. В связи с этим были продолжены поиски медных сплавов с недефицитными легирующими компонентами, которые позволяли бы достигнуть достаточно высокой технологичности в условиях непрерывного литья в роторный кристаллизатор. Рассматривались медные сплавы с силицидами и фосфидами переходных металлов (Fe, Co, Ni). Такие сплавы позволили свести до минимума зашлаковывание литейной системы установки непрерывного литья и прокатки и достигнуть малых интервалов кристаллизации. При окончательном выборе внимание уделялось сплавам системы Cu-Fe-P, имеющим лучшие механические свойства. Кроме того, для этих сплавов требуются недефицитные легирующие элементы.

Состав медного сплава с железом и фосфором для контактных проводов и технология изготовления (термообработка), обеспечивающие максимально высокие электрические характеристики содержит 0,1 – 0,12 % Fe и соответственно 0,028 – 0,038 % Р. Износостойкость сплава системы Cu-Fe-P в 2 раза выше, чем меди.

Предпочтение следует отдать медным проводам, легированным оловом, так как изготовление легированной катанки не вызывает осложнений при использовании установок непрерывного литья и прокатки. Такие провода, как было сказано, отличаются достаточно высокой прочностью, износостойкостью и термостойкостью, низким удельным электросопротивлением (0,0179 Ом·мм2/м). Низколегированные контактные провода с присадкой серебра обладают практически такой же технологичностью при изготовлении на тех же установках легированной катанки и более низким удельным электросопротивлением (0,0178 Ом·мм2/м); однако стоимость их при меньшей прочности выше.

Низколегированные провода с присадкой магния требуют намного больших производственных затрат из-за нетехнологичности изготовления на тех же установках, что снижает преимущества таких проводов, заключающиеся в высокой термостойкости и повышенной прочности при более низком электросопротивлении (0,0189 Ом·мм2/м).

2 Контактные сплавы на основе серебра

Для изготовления контактов в выключательных устройствах низкого напряжения применяют материалы типа Ag—МеО.

С повышением требований к выключательным устройствам (уменьшение габаритных размеров приборов, повышение долговечности их работы) резко возросли требования к материалам для контактов. Например, контакторы магнитных пускателей должны обладать высокой стойкостью против сваривания при включении больших токов и обгорания, легким гашением дуги — и все это при постоянном низком контактном сопротивлении. Эти требования выполняются при использовании материалов типа Ag— CdO. Сплав Ag—CdO получают путем внутреннего окисления выплавленного гомогенного сплава Ag—Cd. При нагреве в окисляющей атмосфере кадмий окисляется. В двойном сплаве Ag—Cd образуются относительно крупные, иглообразные включения CdO. Более мелкозернистую структуру и равномерное распределение включений можно получить путем легирования сплава небольшим количеством кобальта или никеля.

Дефектами контакторов из сплава Ag—CdO при критических режимах нагрузки являются глубокие межкристаллические разрывы, возникающие из-за термических напряжений. Такие дефекты особенно характерны для круп­нокристаллической структуры. В данное время разработан новый метод получения мелкозернистого материала на основе серебра с дисперсными равномерно распределенными включениями CdO. Мелкодисперсную смесь Ag и CdO получают совместным осаждением гидроокисей кадмия и серебра из раствора нитратов этих элементов. Выделившиеся порошки превращаются при нагреве в металлическое серебро и CdO. В противоположность обычному порошковому методу в данном случае прессуют не готовые детали, а блоки. Блоки спекают по особому температурно-временному режиму и затем горячей и холодной деформациями с общим обжатием более 95% изготовляют необходимые полуфабрикаты. Таким методом получают предельно плотную матрицу с мелкодисперсными, равномерно распределенными включениями CdO. Для предотвращения образования крупнозернистой структуры в основе должно содержаться 10—15 вес. % CdO. Даже после критической деформации и многочасового рекристаллизационного отжига при 800° С средний размер зерна основы составляет менее 10 мкм, что соответствует среднему расстоянию между частицами CdO. Изделия, полученные таким методом из сплава Ag—CdO, проявляют при особо критических условиях работы значительно лучшие свойства (низкую свариваемость при высоких токах включения и равномерное обгорание).

Степень обгорания, отнесенная к единице заряда, в зависимости от величины тока для различных материалов Ag—CdO приведена на рисунке 2. Мелкозернистое серебро имеет наиболее высокую степень обгорания. Неокисленный сплав Ag—Cd (9%) имеет на 30% меньшую степень обгорания. Большее снижение степени обгорания наблюдается для материалов типа Ag—CdO. Электроды, изготовленные обычным порошковым методом (кривая 1) имеют значительно более высокую степень обгорания, чем электроды, пластически деформированные из блоков, спеченных из той же порошковой смеси (кривая 2). Еще меньшую степень обгорания при однократных испытаниях имеют электроды, полученные методом внутреннего окис­ления. Но для этих электродов характерна крупнозернистая структура и, следовательно, появление межкристаллических разрывов, которые возникают при частом включении больших токов и сопровождаются резким увеличением степени обгорания. Особый интерес представляет зависимость удельного обгорания от содержания CdO. Изменение степени обгорания, полученное при токе 130 ка от конденсаторной батареи, приведено на рисунке 3. Минимальная степень обгорания для материала, полученного путем внутреннего окисления, наблюдается при 13 вес.% CdO, а для материала, полученного спеканием и подвергнутого деформации, — при 18 вес % CdO. При содержании более 15% CdO в материале, полученном методом внутреннего окисления, даже при повышенных давлениях кислорода образуются крупные неодинаковые по размеру выделения CdO, что снижает прочность основы. Этим объясняется повышение степени обгорания при меньшем содержании CdO по сравнению с материалом, полученным методом деформации спеченных блоков. Прак­тическое применение материалов, содержащих более 15 вес.% CdO, ограничено из-за резко возрастающих контактных сопротивлений и трудностей обработки.

Рисунок 2 – Степень обгорания А в зависимости от тока, пропускаемого через материалы типа Ag – CdO [3]

Рисунок 3 – Изменение степени обгорания А в зависимости от содержания CdO в сплавах на основе серебра [3]

Новая технология изготовления контактов из деформированных спеченных блоков позволяет получить такие комбинации материалов Ag—Me, которые нельзя было обеспечить внутренним окислением. Например, при окислительном отжиге сплавов Ag—Sn и Ag—Zn образуются внутренние зоны, которые препятствуют равномерному окислению и получению мелкодисперсных окислов. Новый метод порошковой металлургии позволяет получать плотные деформируемые материалы Ag—SnO и Ag—ZnO с содержанием окислов от 5 до 10%, имеющие мелкозернистую структуру и равномерное распределение окислов. Степень обгорания этих материалов несколько выше (рисунок 4), чем сплавов типа Ag—CdO при одинаковом содержании окислов, что можно объяснить меньшей термической стойкостью окислов SnO и ZnO.

Рисунок 4 – Изменение степени обгорания А различных материалов в зависимости от состава: 1. 95%Ag; 5%ZnO; 2. 95%Ag; 5%SnO2; 3. 95%Ag; 5%CdO [3]

Надежная работа контакторов низкого напряжения определяется в большей степени стойкостью материала контакторов против свариваемости, чем их обгоранием, так как контакторы ломаются при первых включениях, а обгорание проявляется после длительной работы. Склонность к свариванию зависит от того, как проходит импульс тока: через замкнутые контакты или замыкающиеся под нагрузкой.

Значительно повышает склонность к свариванию удар контактов при их включении и электродинамическая сила.

Сравнение склонности материалов к свариванию, полученных по различной технологии (рисунок 5), показывает, что гомогенный неокисленный сплав Ag—Cd имеет более высокую свариваемость, чем чистое серебро.

Пластически деформированный материал, полученный порошковым методом, превосходит по качеству материал, полученный методом внутреннего окисления. В выключающем устройстве, имеющем, например, силу отрыва контакта 0,4 кгс, прочное сваривание контактов должно произойти, при прочих равных условиях, для сплава Ag—18% Cd после каждого 2-го включения, для чистого серебра после каждого 40-го включения и для сплава Ag—10% CdО после каждого 500-го включения.

Рисунок 5 – Изменение свариваемости сплавов Ag—CdО различного состава и методов получения: 1. сплав, содержащий 82% Ag и 18% Cd; 2. серебро; 3. сплав, содержащий 90% Ag и 10% CdO, полученный методом внутреннего окисления; 4. сплав, содержащий 90% Ag и 10% CdO, полученный методом деформации из блоков; 5. сплав, содержащий 80% Ag и 20% GdO [3]

Для материала Ag—МеО с термически более стабильными оксидами сваривание происходит только при повышении тока включения или при более низкой силе отрыва контактов. Применение материалов на основе серебра с более стабильными окислами значительно снижает свариваемость. Таким образом, порошково-металлургический метод изготовления деталей контакторов путем деформации из блоков позволяет получать контакты достаточно надежные по своим свойствам.

3 Вольфрамовые контактные сплавы

Вольфрам имеет параметры дуги, большие, чем у платины (хорошо про­тивостоит образованию дуговых разрядов); мало подвержен эрозии и переносу металла (в несколько раз меньше, чем платина). Это обусловлено его высокими механическими и термическими свойствами. Вольфрамовые контакты не свариваются в работе, чрезвычайно прочны и износоустойчивы, их можно применять при высоких давлениях, необходимых для разрушения окисной пленки, образующейся вследствие их окисляемости. Длительность службы их очень велика.

Несмотря на образование окисних пленок на поверхности вольфрама, он имеет устойчивое в процессе работы контактное сопротивление, что объясняется относительно высокой электропроводностью вольфрамовых окисных плевок. Кроме того, при соприкосновении контактов плевки легко пробиваются с установлением электрического контакта.

Вольфрам довольно стоек к атмосферной коррозии в обычных условиях, но очень чувствителен к воздействию газов, выделяемых из пластмасс и изоляции, особенно в условиях повышенной влажности. При их воздействии нарушается контактная проводимость вольфрама. Интенсивная коррозия вольфрама может вызываться электрохимической коррозией в паре с материалом контактодержателя, припоя и т. д. Защита против образования непроводящих пленок — вакуум, водород, чистый азот.

Вольфрам — один из самых распространенных контактных материалов. Его рационально применять в мощных электрических установках, он не пригоден для работы при малых контактных нажатиях.

Сплавы вольфрама и молибдена с медью (10-40%) и серебром (20-40% Ag), приготовленные методом порошковой металлургии, сочетают в себе высокую электро- и теплопроводность меди и серебра с износостойкостью вольфрама и молибдена. Вследствие этого их используют в качестве контактного материала для рабочих частей рубильников, выключателей, электродов для точечной сварки.

К этой же группе относятся сплавы высокой плотности (90-95% W, 1-5% Ni и 1-4% Сu), а также сплавы, в которых медь заменена железом (сплавы ВНЖ). Эти сплавы применяют для изготовления роторов гироскопов, противовесов к рулям управления самолетов и ракет, радиационных экранов и контейнеров для хранения радиоактивных веществ.

Таблица 3 - Номенклатура и свойства сплавов

Заключение

Кроме указанных выше металлокерамических материалов для контактов применяют платину, золото, ирридий, вольфрам, медь и редко молибден, а также никель. Из чистых металлов наилучшими свойствами обладают платина и ирридий; они не корродируют и имеют малую склонность к образованию дуговых разрядов. Сплавы платины с ирридием применяют для наиболее ответственных контактов. Эти материалы являются дорогостоящими.

Вольфрам в такой же степени способен противостоять образованию дуговых разрядов, однако он подвержен эрозии и атмосферной коррозии с образованием оксидных  и сульфидных пленок.

Для изготовления мощных контактов применяют следующие системы из тугоплавких и электропроводных металлов, не сплавляющихся между собой: 1) серебро с кобальтом, никелем, хромом, молибденом, вольфрамом, танталом, 2) медь с фольфрамом и молибденом, 3) золото с вольфрамом и молибденом. Бинарные и более сложные композиции содержат в основном указанные композиции металлов. В некоторых случаях состав сплавов усложняется специальными примесями, но принцип выбора основных компонентов для композиций соблюдается всегда. Вследствие несплавляемости компонентов композиции готовят: спеканием смеси металлических порошков и пропиткой компонента В расплавленным компонентом А. В результате получается смесь компонентов А и В, причем стремятся, чтобы оба компонента представляли собой непрерывно взаимно переплетающиеся скелетные структуры. При такой микроструктуре и при правильно подобранных гранулометрических составах порошков достигается наиболее выгодное сочетание электропроводности и термической устойчивости композиций.

Материалы, применяемые для изготовления скользящих контактов, должны обладать высокой устойчивостью против истирания. В качестве материалов для скользящих контактов применяют холоднотянутую медь, бериллиевую бронзу и металлокерамические сплавы типа Ag—CdO.

Список использованный литературы:

1. ГОСТ 2584 – 86. Провода контактные из меди и ее сплавов.

2. Медные легированные контактные провода. Берент В.Я. //ЖДМ – online. – 2002. - №4.

3. Дубинин Г.Н., Авраамов Ю.С. Конструкционные, проводниковые и магнитные материалы. М.: Машиностроение, 1973, 296с.

2